轮式电动扶正器的设计.zip

本科毕业论文（设计）任务书 论文（设计） 题目 轮式电动扶正器设计 院（系、中 心） 工程学院专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 纵向课题（ ） 科研 课题 横向课题（ ） 理论研究（ ） 教师自拟课题（ ）应用基础研究（ ） 选题来源 学生自拟课题（ ） 选题类型 技术或工程开发（ ） 论文（设计）的基本构思和基本任务： 本课题是设计一套轮式电动扶正器，能够在套管内既起到扶正作用，又有效防止 了井下作业工具卡钻事故的发生。本课题采用轮式结构，用电机来驱动扶正器支撑臂 的的支撑和收缩动作，可有效减少摩擦，提供更大的锁紧力。 主要内容包括： 1、查阅国内外关于扶正器的研究成果，了解轮式扶正器的整体结构组成，编写 开题报告； 2、分析国内外现有的各种扶正器，初步确定扶正器的设计方案； 3、详细设计扶正器的结构、工作原理、加工装配工艺，绘制扶正器的关键零件 的零件图及整体装配图； 4、对扶正器的支撑臂及弹簧进行优化设计，并对扶正器整体进行受力分析。 目前的基础（包括资料收集情况、前期工作情况等） 1.杨道平,张胜鹏,王慧琴等.一种可变径套管扶正器P.中国专利: 200720146825.X,2008-3-5 2.陈葳,王绍军,缪克等. TYF4型八臂四轮式扶正器J.石油仪器,2001,15(5):48-49 3.黄勤保,余茂人.电动扶正器P.中国专利:200820170212.4,2009-9-23 4.杨道平.可变径刚性套管扶正器P.中国专利:200620167223.8,2007-11-21 5. Bai Xianglin, Li Haoyu, Liu Faxian.Dynamic simulation of auto-centralizer for ho- rizontal well traction robot based on ADAMSA. Petroleum Exploration And Develop-ment. China. 2010, 37(1): 104110. 论文（设计）进度安排 1、查阅国内外相关文献，了解扶正器的整体结构组成，2周 2、外文翻译，1周 3、开题报告，1周 4、扶正器设计方案确定，1周 5、详细设计扶正器的结构、工作原理、加工装配工艺，绘制主要零件图和装配 图，3周 6、扶正器的支撑臂及弹簧的优化设计，整体受力分析，3周 7、毕业论文撰写，2周 论文起止时间：自 年 月 日起 年 月 日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 注：表格不够可另附页 1 本科毕业设计 开题报告 题 目 轮式电动扶正器设计 2 一、选题依据 课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值 选题依据和背景情况选题依据和背景情况 随着世界经济的高速发展、人口压力的不断增加、社会生活水平的不断提 高,世界各国对石油等化石能源的需求也进一步增加。而目前石油的开采过程中 为了封隔易塌、易漏等复杂的地层，保证钻井的顺利进行。同时为了封隔油气 水层，建立油气流出的通道，防止产层之间的互窜以及方便安装井口，因此在 开采过程中需要下套管，并进行相应的固井工作，以便进行石油的后续开采工 作。 而固井工程又具有一定的特殊性，其为一次性过程，如果质量不好，一般 情况下是无法补救的。同时因为它的隐蔽性，主要过程集中在井下，施工时不 容易直接观察，质量控制的好坏将直接影响后续工程的实施。因此在固井下套 管的过程需要保证套管在井眼中的居中度，其是油气井固井质量好坏的决定因 素之一,而扶正器安放又是套管居中与否的基础。 同时在油田生产的测井过程中需要测量大量的参数、使用各种仪器，为了 测量的准确性，需要使仪器处于油管的中心位置。因此也需要使用扶正器。 目前所使用的扶正器多为机械式扶正器，其扶正支架始终与管壁接触，而 接触压力小了将起不到扶正的作用，但若是接触力过大的话将直接导致下井困 难，在井中上提，下拉时摩擦力较大，上提、下拉困难。同时由于摩擦力大， 其磨损也较严重，直接影响扶正器的使用寿命。 课题研究目的、学术价值或实际应用价值课题研究目的、学术价值或实际应用价值 本课题研究的主要目的是针对目前石油开采中扶正器井下作业发生卡钻等 事故，设计出利用电机驱动扶正器的支撑臂的支撑与收缩动作。并且利用轮式 机构的设计，将之前的滑动摩擦变为滚动摩擦，在不改变支撑力的前提下，有 效的减少了摩擦力，提高扶正器的使用寿命。使扶正器在保证其正常扶正作用 的前提下，可以提高其在工作中的可靠性。 电动支撑臂的提出为解决扶正器上提、下拉时摩擦力大等问题提供了一种 解决方案。可以通过对其的研究以及结构的改进，改善仪器利用的稳定性、一 致性和重复性，可以提高扶正器在固井过程的成功率，保证固井质量。 另外，本课题通过利用轮式机构改善原有扶正器由于摩擦力过大而直接导 致其寿命较短的问题，通过改进将使扶正器在油田利用中有更高的可靠性。同 时尝试改进扶正器的材料尽量不采用尼龙件，提高扶正器的强度，同时减少其 在运行过程中出现的卡泵现象。 3 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献 目前个油田所使用的扶正器都存在一定的缺点,在石油的开采过程中也经常 会出现一些事故。扶正器属固井工具，其种类繁多，目前市场上按其结构可以 分为滚轮式，滑轮式、自由换向式等。 不同结构和材质的扶正器适用于不同的油井。目前国内使用的套管扶正器 有三种:刚性扶正器,扶正力为最大,有导流功能,可提高顶替效率,但刚性也最大; 双弧弹性扶正器,其扶正力为单弧扶正器的两倍;单弧弹性扶正器,其扶正力比双 弧弹性扶正器较小。 国内水平井固井在水平井的水平段多选用刚性扶正器和双弧弹性扶正器间 隔加入的方法,每 20m 加一只刚性扶正器和一只弹性扶正器,其扶正力足以支撑 平躺套管的重力,从理论计算和实际施工结果看可以保证套管居中度大于水平井 固井水泥浆体系的要求。 图 1 刚性扶正器 另外国内还有一种旋流式扶正器,它是以弹性扶正器为基础进行研制的。旋 流式扶正器有 3 个导向叶片,在导向叶片角度为 3540,张开角为 100115时可以得到最佳旋流导流效果。旋流式扶正器使水泥浆在环空中 形成一定的旋流场,且主流速越大,旋流场强度越大,形成的 环向流速也越大。 试验结果表明,越靠近井壁处旋流强度越大;在返速是 0.8m/s 时,实测旋流场的 有效范围达 5m。现场实际返速远大于 0.8m/s,所以旋流场的有效范围也相应增 大。 图 2 弹性扶正器 图 3 弹性旋流扶正器结构图 提高注水泥顶替效率的最好方法是活动套管和紊流顶替。然而,在实际施工 4 中活动套管因种种困难难以实施。对于大斜度井更是如此。使用旋流扶正器等 机械辅助方法来提高注水泥顶替效率是近年来一个新的发展方向。借鉴这些技 术,国内设计了刚性旋流式扶正器。其目的是一方面支撑大斜度井段靠在井眼下 侧的套管,防止粘卡和增大间隙居中套管,同时又可以迫使流过旋流扶正器的钻 井液和水泥产生旋流以提高顶替效率。 目前各类型的扶正器由于使用尼龙件会造成卡泵、卡钻等现象。同时目前 扶正器存在强度低、寿命短等缺点。由于大部分扶正器均是直接与油管接触， 摩擦力较大，使抽油机的负载增大。综合以上的扶正器的缺点，设计一种利于 支撑，减少摩擦力，延长寿命的扶正器是必要的。 查阅文献 1.杨道平,张胜鹏,王慧琴等.一种可变径套管扶正器P.中国专利: 200720146825.X,2008-3-5 2.陈葳,王绍军,缪克等. TYF4型八臂四轮式扶正器J.石油仪器,2001,15(5):48-49 3.黄勤保,余茂人.电动扶正器P.中国专利:200820170212.4,2009-9-23 4.杨道平.可变径刚性套管扶正器P.中国专利:200620167223.8,2007-11-21 5.王树坦.滚轮扶正器P. 中国专利:01272966.0, 2001-12-31 6.张景福，李成林，王忠福等.套管弹性旋流扶正器的旋流规律与应用N.石油学报， 1997，18（1）:111-114. 7.徐爱舫，陈黎升等，电动扶正器的改进及应用J.石油仪器，2000,14（5）：58- 60. 8. Bai Xianglin, Li Haoyu, Liu Faxian.Dynamic simulation of auto- centralizer for ho-rizontal well traction robot based on ADAMSA. Petroleum Exploration And Develop-ment. China. 2010, 37(1): 104110. 9.Fei Yin,Deli Gao，Mechanical analysis and design of casing in directional well under in-situ stressesJ.Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2014, 13(3):26-30. 10. 王兆会，蒋刚等.刚性扶正器P.中国专利:200520016237.5,2005-04-04. 11.孙莉，黄晓川，向兴华，国内水平井固井技术及发展J.钻采工艺， 2005,28（5）：23-25 5 三、研究内容 1.学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术） 思路： 查阅相关的文献，理清扶正器基本原理与用途，并根据现有的扶正器 的特点，利用它的先进创新部分，并对不合理的地方进行相应的改进，进 行整体的方案设计。 主要研究内容： （1） 了解扶正器的工作原理，明晰扶正器工作性能参数。查阅相关 资料，完善对扶正器的了解 （2） 参考市场现有的扶正器结构，根据所学知识，设计出以电机为 驱动、并通过计算分析，增加轮式机构。 （3）对所设计的机构进行优化，并利用 UG CAD 等软件进行分析。 2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 研究方法： （1） 创新构思，功能设计 首先进行市场调研，分析不同扶正器的优缺点，如下 优点缺点 刚性扶正器 有很高的支撑力和 较低的启动力或位移力, 能使套管顺利下入又保 持较高的居中度 对井眼的要求较高, 不能有缩径井段;刚性 正器还会增加管柱的刚 度,造成下套管困难;造 价高制造工艺复杂 弹性扶正器 （根据弹簧原理设 计） 它有较高的复位力 即扶正力,扶正力的大 小取决其上载荷的大小。 制造工艺简单,价 格低,性能能满足常规 井的要求 产生较大的下入力, 影响套管的正常下入， 摩擦力大，影响寿命 滚轮扶正器 滚轮扶正器在套管 上可以自由转动和上下 滑动，也可以用固定螺 钉或固定环将其固定在 套管的某个部位 强度低、寿命短 通过以上对目前几种扶正器的分析发现现在的扶正器都存在下井困难，摩 擦力大，寿命低等缺点，刚性扶正器虽然可以较好地保证套管的居中度，但其 下井困难，不利于使用。弹性扶正器虽价格低，工艺简单。但下井摩擦力大等 6 问题直接影响了其使用寿命。对于滚轮扶正器由于它的强度较低，导致现在油 田很少使用。 综合以上各扶正器的优缺点，目前拟采用电机驱动扶正器的支撑臂来完成 支撑与收缩动作。在下井作业前将支撑臂收起可以有效的减少摩擦，方便下井。 同时在刚性扶正器的基础上增加滑轮，进一步减少摩擦力。 （2) 机械结构设计 针对所设想的功能，运用机械原理，机械设计等专业课程分析设计，设计 出最优的机械结构和工作原理。同时利用 UG 等相关专业软件对支撑臂等部位 进行受力分析及运动仿真，重点对支撑臂的结构与强度进行分析，不断校核修 改，使设计更具可行性。 (3) 电气控制设计 在此设计中有用到电气方面的技术，被控制对象包括电机、传感器等部件。 设计主要考虑支撑臂的收缩与支持的实现，同时考虑相应的机械结构对机械臂 逇运动进行相应的定位等问题。 （4）设计图纸，优化设计 经过原理优化与结构设计后，运用机械制图和三维建模的所学知识进行设 计出图，